继阳山风电场地质构造对地基稳定的影响

兰艇雁，郝常安

（1. 龙源（北京）风电工程设计咨询有限公司，北京 100034；2. 山西龙源风力发电有限公司，神池 034000）

0 引言

山西陆台构造格架是在中生代形成时，由于经历了不同方向、不同时期的构造应力场，在神池县继阳山风电场风电机组基础开挖后，揭露了大量的构造形迹，这些构造形迹，有些成为岩溶发育的通道；有些对地基承载力、变形和均匀性发生了改变；有些对抗滑稳定产生影响。通过对这些构造形迹的观察整理，对本区域地质构造主应力的方向、场次进行了回归配套分析，对风电场不良地质作用的成因做出了比较合理的解释，并有针对性地提出了处理建议。

1 地质背景

1.1 区域地层

区域内地层有太古界吕梁群、震旦亚界长城系、古生界寒武系、石炭系和二迭系、中生界三迭系、新生界上第三系和第四系地层，与工程关系较为密切的是古生界奥陶系灰岩。

1.2 区域构造

区域构造处于山西陆台西部北中段，属于祁吕贺兰山字型构造东翼前弧中段，北东向褶皱带在区域内较为发育，褶皱带是由一系列走向NE30°－50°的褶皱以及平行这些褶皱的断裂组成，风电场场址属于宁静向斜的北东翼。

山西陆台主要构造格架是中生代燕山期形成的，曾经历了SE－NW向挤压和逆时针剪切力偶作用，先后形成了NW－SN和NE向复式背、向斜及压扭性断裂构造带，并使得山西陆台整体上处于抬升运动状态。

在中生代隆起的构造背景基础上，喜山运动改变了中生代构造运动的方向，以顺时针方向剪切力偶作用为主，使得隆起区轴部产生了一系列由张性断裂控制的类似神池八角、长征等山间新生代断陷盆地。这些张性断裂继承了燕山期规模较大的压性断裂和仰冲断裂带，同时伴随有新的断裂产生。继阳山风电场的构造形迹就是在此区域构造背景下形成的[1]。

2 场址区构造

为了搞清风电场址区各种构造形迹的时空关系，试根据区域构造控制下的场址区构造形迹进行配套分析。

2.1 场址区构造形迹

整个场址区都是在最早西东向主应力作用下，形成X构造节理，在此基础上，由于空间位置不同而形成不同力学性质的构造剪切面,如图1所示。

69号和63号基坑由于受区域右旋剪切力偶作用，产生NE－SW方向的等效挤压，NW－SE向等效张构造主应力作用，形成近南北向和东西向组合X构造节理。在基坑揭露的构造挤压带，岩体总体倾向北，局部倾向北东20°，构造线上的岩体倾向南西255°，倾角30°。构造带宽度：南北向的构造节理宽0.5m至2m，东西向构造带，东侧宽约2m，构造带内有倾向不规则的岩体；西侧构造带节理宽30cm至40cm。63号岩体北南、南东向张节理切割更为明显，使得岩体支离破碎，如图2、图3所示。

59号机位为构造强烈挤压形成的断层带，断层宽10m,走向60°－70°，组成物质为黄、红色粘土夹角砾，南侧岩体岩层倾向东，倾角30°，同方向地形坡度约40°左右，地形坡度大于岩层倾角，岩层中存在软弱夹层，如图4所示。北侧岩层岩体完整，产状平滑，属于先压扭后张拉性质。

67号风电机组位基坑开挖后揭露，岩壁上有风化的断层角砾出露，南东方向有约5m宽的完整基岩出露，倾向110°，倾角10°左右，北西侧有角砾土，宽度12m，贯穿整个基坑，带内岩层倾向250°，倾角22°。岩体与碎石土强度悬殊，经初步分析，角砾夹土是张性断裂的充填物，如图5所示。

2.2 构造成因分析

本区地质构造形迹表现在南北向、北东向、北西向的断层和褶皱较发育，其形成过程是经过多期构造运动形成的，简析之：

在印支－燕山早期从区域传递到场区的构造力方向是西东向，使奥陶系灰岩在未形成褶皱前出现早期平面“X”剪切断面，即西北、东北垂直节理，如图1所示。同时产生北南、西东向剪切面，如图2所示。

此四组剪切面为本区奥陶系灰岩控制性构造面。继阳山风电场区以近北南、西东向结构面发育尤甚。燕山运动强烈时期形成南东向的褶皱曲伴随北南向断裂形成，同时派生出西北向的应力场形成东北向的褶曲,如图6、图7所示。

对前述四组构造结构面在新的应力场作用下，力学性质的迭加，发生不同性质的构造结构面。燕山运动后期－喜山期伴随山西台地掘起，本区再次出现NW－SE向构造应力场。前述各组构造面再次出现应力迭加，形成如图8、图9 、图4和图5所示的构造形迹。

通过对继阳山场址区100多个基坑开挖构造形迹产状量测和对各种地质现象的详细观察后进行综合分析，得出了场址区构造应力场方向、构造应力场期次、构造产状和性质的一般规律。

3 构造对建筑物地基影响分析

继阳山风电场项目共有风电机组基础100个，经验槽，认为工程地质条件较好，不需要进行地基处理的有53个，占53%；需要进行刻槽处理的40个，占 40%；建议移位的 3个（J92、J59、J67）占 3%，其中：J92已经移位；需要进一步深挖确认地基情况的有1个（J75）占 1%；受构造作用挤压破碎较明显的有（J74、J81、J83）占 3%。

由于构造的影响，对建筑物的不良地质作用主要是断裂构造及其构造张节理粘土充填形成的不均匀地基，以及倾斜岩层间的软弱夹层与特殊地形组合，在动荷载条件下地基的抗滑稳定问题[2]。

3.1 不均匀变形问题

如67号机位基坑开挖后，建基面上断层带充填的黄、红色粘土宽度达12m，59号基坑建基面粘土条带宽10m，显而易见，粘土的变形模量、承载力特征值等参数与基岩悬殊，因此容易发生地基的不均匀变形，有的学者主张地基整体下挖1m，换填毛石混凝土，但其泥质条带类型、成因、深度、分布范围、发展趋势和危害尚需补充勘察。况且处理需要增加15万元投资，因此采取了移位，如图10、图11所示。

对于基岩内由于构造作用产生的构造张节理，在风化和溶蚀共同作用下形成的深槽，槽内充填黄红色粘土，变形模量较低，如J60号基坑，J77号基坑。对于这类地质现象，如宽度小于0.5m，可不予处理；对于宽度大于0.5m的基槽，应开挖宽度的1.5倍深度，刻梯形槽置换毛石混凝土。或者采取桥跨式处理。应根据具体情况进行受力分析后，提出适当的处理措施,如图12、图13所示。

3.2 抗滑稳定分析

92号基坑地貌上处于一山脊末端，山体坡面倾向西及南北。开挖揭露有一南北向展布的宽约3-4m的粘土条带，其东侧是产状近于水平的厚层灰岩，岩体较为完整，粘土条带西侧是薄片状灰岩，其倾向西及西南，倾角20°～30°左右。岩体较为破碎，并有3条走向近于东西向的20～30cm的粘土条带与南北向泥质条带贯通，薄片状灰岩平面上可见近于南北向展布的约10cm错距的小错台，如图14所示。

经初步分析，该岩层泥质条带东侧岩层产状近于水平，西侧岩层倾向近于西，倾角30°左右，是经东西向构造应力作用下形成的地质构造形迹，泥质条带是断层构造线，大气降水渗透过程中不断对构造线风化溶蚀形成宽约2-3m宽，深度大于10m的溶槽，（前期勘察钻孔20m深仍为黄色粘土和18号基坑溶蚀条带如图15所示）后期又充填粘土。由于有深槽侧壁的临空面发生卸荷回弹，形成泥槽西侧岩体走向近于南北的小错台，与此同时，在构造应力作用下，形成了近于东西向的构造节理，沿构造节理风化作用加强，使节理加宽后充填粘土。这样，该风电机组主要有三方面的工程地质问题：其一，因为东西向和南北向的泥槽构成了切割面，地貌上处于山脊末端三面临空构成了临空面，构造运动过程中，岩层之间会发生层间错动，接触面之间的摩擦系数根据经验值约0.4左右，如果有泥质灰岩组成软弱夹层遇水饱和后抗滑系数约0.20左右，那么风电机组在运行过程中，有抗滑稳定问题。如图16所示。[1]

其二，由于处于山脊末端，三面临空，开挖的地基上面有拉开的裂缝，这些裂缝成因，属于岩体卸荷作用形成，则卸荷裂隙必然影响稳定。其三是地基不均匀沉降问题。如图17所示。

59号机位为构造强烈挤压形成的断层带，断层宽10m,走向60°－70°，组成物质为黄、红色粘土夹角砾，南侧岩体岩层倾向东，倾角30°，同方向地形坡度约40°左右，地形坡度大于岩层倾角，岩层中存在软弱夹层，具备滑动面、临空面和切割面岩体滑动三要素，基础置于其上有滑动失稳之虞，如图18所示。

如果不想移动机位，补充勘察至少应搞清楚粘土槽分布的成因、范围、（长、宽、深）对工程的影响；粘土槽两侧岩层产状不一致的原因，分析断层性质、对倾斜岩层中的软弱夹层，还应取样进行抗滑稳定性计算；对拉开裂隙及所有地质现象都应有正确的解释并做出稳定性评价。而这些勘察工作尚待时日。根据风电机组地基基础设计规定, 对于下卧基岩表面坡度较大的地基由于压缩变形相差较大，宜调整基础位置，尽量避开此类地基。以及地基应尽量避开对其直接或间接危害的断层。因此，对于断层形成的对建筑物稳定构成威胁的不良地质作用，移动机位是最合理的选择[3]。

对于J81号、83号基坑揭露的构造挤压破碎带，虽然岩体十分破碎，产状陡立，但不存在抗滑稳定、不均匀沉降问题，且变形和承载力能够满足要求，是比较理想的天然地基。

3.3 卸荷崩塌

J75号机位在微地貌上处于继阳山主峰的二级台地，基坑开挖到设计高程后，基底岩体产状杂乱无章，与粘土条带相间呈条带状出露，下部岩体之间有较大空隙，具架空结构，由于地形处于山脊末端，初步判定是边山卸荷崩塌物。属于不均匀或不稳定地基,如图19、图20所示。

由于岩体上有错动擦痕，经后期进一步开挖，判断是岩体错落崩塌时产生的擦痕。该机位采取了移位措施。

4 结论

区域地质构造控制着场址区的地形地貌和构造形迹，场址区的构造形迹也反映了区域构造特征。由于区域内经历了燕山期NW－SE向挤压应力作用的同时伴随逆时针方向旋转的剪应力，形成一系列走向NE30°－55°的复式背、向斜和压扭性断裂以及压性结构面。喜山运动以来，区域主压应力方向与前期相反，方向为NE－SW，并伴随着区域内顺时针旋转的剪应力。在复合区域应力场的作用下，内出现不对称的倾伏背斜、向斜，局部表现出不协调的现象，燕山期形成的压性结构面，被后期喜山期构造改造成了张性或张扭性结构面。反映到场区表现出在X结构面的基础上，压性结构面较严重地形成挤压破碎带，张性结构面形成张节理或张性平移或斜移断层，断层带和张节理内充填断层泥及断层角砾岩，形成不均匀地基或不稳定地基。其中3个机位需要移位，40个机位需要进行常规刻槽换填等处理。

[1] 张倬元等.工程地质分析原理[M].北京:地质出版社, 1981.

[2] 常士骠,张苏民.工程地质手册（第四版）[M]. 北京:中国建筑工业出版社, 2007.

[3] 水电水利规划设计总院.风电机组地基基础设计规定（试行）FD003—2007[s].北京: 中国水利水电出版社,2007.